空中成像效果仿真

在2024年4月11日的《空中成像的原理及模拟》中，唯比君着重介绍了其光学原理，对这个东西大家觉得挺新奇，很多小伙伴感兴趣，私信交流。唯比君就再补充一篇，给大家介绍下，空中成像的效果仿真。

空中成像的原理，是两组反射镜阵列正交排布后胶合成一块板子，板子的镜面相对显示屏旋转45°，让显示屏出来的光，在两个方向的镜面上分别反射后，在板子另一侧对称位置形成实像。

从逻辑上判断，影响空中成像的因素包括：显示屏与板子的夹角，显示屏的大小（长度和宽度），显示屏和板子的远近，板子的大小（长度和宽度），反射镜阵列的pitch，单个通道的Depth，以及遮光结构。

显示屏的大小可以通过更改图片的显示比例和长宽比自由控制。

显示屏和空中成像板的夹角也可以通过转台自由控制。

空中成像板的制作加工非常繁杂，成本非常高昂，1平米的板子售价动辄几十万元，通过多次打样demo来确认效果，显然不是明智的选择。

光学仿真的威力此时就凸现出来啦。给大家看一组唯比君的实拍与仿真图，仿真参数的设定和实拍demo有一些出入，但是结果已经非常OK啦。

反射镜阵列板建模

空中成像板主要是四层，从下到上依次是：

1. 下层保护玻璃
2. 下反射镜阵列
3. 上反射镜阵列

4. 上层保护玻璃

上下两层保护玻璃，主要是起到保护和支撑中间两层反射镜阵列的作用，模型中不建出来也是可以的。最核心的是怎么把上下两层反射镜阵列建出来。最直觉的反应，当然是用阵列操作啦，先建立一个，再收获很多个。

在软件中先建立一个反射镜单元，材质设为BK7，反射面设定为镀铝，再用线性阵列操作复制多个实体出来。

不出意料，意外产生了，生成的阵列的过程，只是结构件生成阵列，新产生的阵列元素并没有携带之前母体的材质和表面属性，并且原始的母体结构件给删除了。。。

继续搜寻，发现还有个叫做Speos Pattern的操作，难道这个就是带属性的阵列了，打开一看，这个只是为了方便建立光源阵列。。。

继续搜寻，还有个3D Texture操作可以用，先建立一个玻璃基板，再用insert方法，把单个反射镜单元插入到玻璃，就可以实现带保护玻璃的反射镜这列板。

交互式光线追迹进行验证有效，玻璃板底层正常透过；插入部分反射。

光线追迹遇到新问题

问题1：用3D texture建好空中成像板模型后，设定好inverse simulation，打开GPU模式开启光追，系统报错了，提示我们3Dtexture不支持用GPU进行光追，这样就只能靠CPU硬抗了，对于1000×1000分辨率，逆向光线设定50，唯比君单次模拟要跑8~10min。没有GPU，太苦了，五一唯比君也想出去玩呀，呃呃呃。

问题2：包含3D texture 的模型，系统会报错，不让我们使用光线分裂功能，所以Propagation下面的Splitting，这里大家记得不能打勾。

显示屏幕的影响

利用display光源建立显示屏模型，这里设定显示尺寸为140mm×70mm，大约是手机显示屏的尺寸。由于LCD显示屏的可视角度大于178度，display光源发射角直接设定朗伯分布，跑一次模拟。

把显示屏发散角全角设定90度，单边设定45度，相当于给屏幕加了一层防窥膜，限制出光角度，进行模拟。可知大角度光线的发射会造成明显的伪影，缩减显示屏的出光角度可以消除伪影。

遮光板的影响

显示屏display光源发射角直接设定朗伯分布，并且给空中成像板子前面加一层挡光板，挡光板尺寸设定200mm×200mm，下图中空的橙色板即为遮光板。

从对比结果可知，增加挡光板本质上相当于是大幅缩减了空中成像板的有效尺寸，虽然图像上缩减了伪影尺寸，同步缩减了有效可视范围。

显示屏和板子夹角遍历

在有遮光板的情形下，设定pitch=0.4，depth=2.4。

显示屏和空中成像板的夹角从30度到60度之间，以step=5进行遍历，结果如下所示：

在30度到60度的夹角范围内，都可以成像，但是畸变和伪影分布不同。

显示屏和板子夹角太大，会导致空中成像板尺寸同步增大。

显示屏和板子夹角太小，会有部分光线直接穿透板子，客户会直接看到显示屏。

所以这个显示屏和板子的夹角要综合平衡进行选择。

显示屏发散角遍历

显示屏和空中成像板的夹角为45度。

在有遮光板的情形下，设定pitch=0.4，depth=1.0。

显示屏发散角全角从5度到150度，以step=5进行递增遍历。

显示屏发散角太小，会导致可视角太小，不能看到完全图像。

显示屏发散角太大，发散角超过100度，正视就会看到明显伪影。

Depth进行遍历

显示屏和空中成像板的夹角为45度。

在有遮光板的情形下，我们对pitch=0.4的空中成像板的depth进行遍历。

Depth从0.5mm到2.4mm，以step=0.1mm进行递增遍历。

单通道的depth太小，有些光没有反射就穿透板子了。

单通道的depth太大，会造成光线遮挡，图像中出现暗部。

遍历发现，针对pitch=0.4mm，depth=1.0mm在正视下效果最好。

总结

本文起到一个抛砖引玉的作用，希望大家意识到光学仿真的强大威力，对大家的工作产生有益的影响，大幅降低产品试错的时间成本和金钱成本。

对于显示类产品，大家可以用类似的手段进行参数遍历仿真，深入了解产品不同参数对可视角度、分辨率、显示亮度等性能的影响。

回到这个技术路线本身，唯比君并不看好：可视角度大一点，畸变就很明显；亮度的衰减也是很明显的；空中成像板的尺寸铁定是要比显示屏尺寸大，导致产品本身难以做到轻量化；空中成像板本身制造工艺复杂，成本高昂，难以做到商品化。

全文完，欢迎大家私信讨论，一起探讨学习哦。